资源描述：
《固体中原子的扩散课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第四章 固体中原子及分子的运动7/31/20211概述扩散(diffusion)原子或分子的迁移现象称为扩散。扩散的本质是原子依靠热运动从一个位置迁移到另一个位置。扩散是固体中原子迁移的唯一方式。一、扩散现象和本质柯肯达尔效应（kirkendalleffect）激活能（activationenergy）跃迁（jumpmigration）醉步(无规则行走)（Randomwalk）7/31/20212二、固态金属扩散的条件由于固态金属中原子间结合力比气体、液体大得多，其扩散也不易、需具备下列条件才能扩散:1、温度
2、（T）要足够高只有T足够高，才能使原子具有足够的激活能，足以克服周围原子的束缚而发生迁移。如Fe原子在500℃以上才能有效扩散，而C原子在100℃以上才能在Fe中扩散.2、时间(t)要足够长扩散原子在晶格中每一次最多迁移0.3～0.5nm的距离，要扩散1㎜的距离，必须迁移近亿次。3、扩散原子要能固溶扩散原子在基体金属中必须有一定的固溶度,能溶入基体组元晶格,形成固溶体,才能进行固态扩散。4、扩散要有驱动力（drivenforce）实际发生的定向扩散过程都是在扩散驱动力作用下进行的(化学势差:在等温等压条件下,
3、只要两个区域中各组元存在化学势差,就能产生扩散,直至化学势差为零)。7/31/20213三、固态扩散的分类1、按浓度变化自扩散（self-diffusion):例如:纯金属晶粒长大过程及均匀溶体的晶粒长大等,不伴有浓度变化的扩散,与浓度梯度（concentrationgradientd）（dρ/dx）无关,与热振动有关.互（异）扩散(mutualdiffusion):例如:化学热处理；材料成分均匀化,伴有浓度变化的扩散。互扩散与异类原子的浓度差有关,是异类原子的相对扩散、相互渗透。2、按是否与浓度梯度（con
4、centrationgradient）一致上坡扩散(uphilldiffusion):向浓度高的方向扩散下坡扩散(downhilldiffusion):向浓度低的方向扩散3、按是否出现新相原子扩散(atomicdiffusion):没有新的相生成反应扩散(reactiondiffusion):扩散过程中新的相生成7/31/202144.1表象理论4.1.1Fick第一定律Fick第一定律（Fick’sfirstlaw）描述在稳态条件下的扩散（steadystatediffusion),即各处浓度不随时间变化,
5、只随距离变化而变化.内容：在单位时间内通过垂直扩散方向的单位截面积上的扩散物质通量(diffusionfluxes)与该截面处的浓度梯度成正比.表达式:J=－Ddρ/dx扩散系数D（diffusioncoefficient）:描述扩散速度的物理量。它等于浓度梯度(concentiontrationgradient)为1时在1秒内通过1㎡面积的物质质量或原子数。D越大,则扩散越快.7/31/202154.1.2Fick第二定律Fick第二定律（Fick’ssecondlaw）描述非稳态扩散（non—steady
6、statediffusion）。在扩散过程中各处的浓度都随时间变化而变化,因而通过各处的扩散流量不再相等而随距离和时间发生变化。表达式:4.2式（P130）※若D与浓度无关则表达式:4.3式（P130）※三维扩散情况且D是各向同性则表达式:4.4式扩散是由于浓度梯度引起称为化学扩散。扩散是由于热振动而产生的称为自扩散。7/31/202164.1.3扩散方程的解—应用第一定律——求解一阶微分方程第二定律——设置中间变量求通解(高斯解Gausssolution、误差函数解errorfunctionsolution
7、、正玄解sinusoidalsolution)，解微分方程初始条件，边界条件求方程式。1.两端成分不受扩散影响的扩散偶（diffusioncouple）－焊接过程解微分方程→引入中间变量和误差函数→求通解（式4.6）→边界条件和初始条件→求特解（式4.7、4.8）焊接面垂直于x轴,在加热和保温不同时间,焊接面(x=0)附近的质量浓度将发生不同程度的变化.(P131图4.3)7/31/202172.一端成分不受扩散影响的扩散体－表面热处理过程求解方法同上，特解为（式4.9、4.10简化式4.11）工业生产中,低
8、碳钢高温奥氏体渗碳提高钢的性能和降低生产成本.如经常采用渗碳（Carburizing）的方法来提高钢铁零件的表面硬度.所谓渗碳就是使碳原子由零件表面向内部扩散，以提高钢的含碳量。含碳量越高，钢的硬度越高。例题教材133补充(2)若想将渗碳厚度增加一倍，需增加多少渗碳时间？7/31/20218备注（1）对于同一扩散系统、扩散系数D与扩散时间t的乘积为一常数。例题3：已知Cu在Al中扩散系数D，在5
